全数字IGBT逆变脉冲MIG/MAG焊接电源的研究

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逆变技术在焊接电源中的应用使得焊接设备在小型化、高效化方面有了飞越性发展。然而传统的模拟控制方式存在着种种弊端限制了弧焊逆变电源的进一步发展。本文结合数字信号处理技术的特点,首先介绍了焊接电源“数字化”的概念、优点以及研究现状和未来的发展前景。针对当前国内外的发展形势,阐明了进行本课题研究的必要性。 本论文简要介绍了数字信号处理器DSP的工作原理、特点以及芯片的选择。重点介绍了所研制的数字化脉冲MIG/MAG逆变弧焊电源的组成结构和控制原理。分别就逆变焊机的主电路、控制电路、保护电路、驱动电路以及送丝电路做了详细地分析,并从软、硬件两个方面进行了系统地阐述。 电源主电路采用输出功率较大的IGBT全桥式逆变结构,由输入整流滤波电路、逆变电路、高频变压器、输出整流电路和输出电抗器组成。文中详细介绍了主电路的设计要点及元件的选型和参数的计算。控制系统以16位数字信号处理器TMS320F240为核心,对整个电源进行了实时的闭环控制。设计中采用了目前比较常用的脉宽调制方式(PWM)即:控制IGBT的导通时间来实现焊机输出功率与输出特性的控制。由于TMS320F240难以直接产生需要的带死区的脉冲波形,因此设计了专门的“分频电路”。利用TMS320F240的比较单元输出一路PWM脉冲,经分频电路分频后,产生两路互不重叠的触发脉冲,再经IGBT专用驱动模块M57959L进行功率放大后,触发IGBT。系统实时对输出电流和电弧电压进行采样,将采样结果送入到DSP进行A/D转换,采用离散的PI控制算法,输出相应的控制量来实时调节IGBT驱动脉冲的脉宽,进而调制输出电流,达到控制焊机输出的目的。 本文还详细阐述了DSP片内的资源分配,外围电路的功能、作用等。设计了数字化显示电路,并针对焊接过程中可能出现的典型故障:过流、过热、过/欠压等,设计了相应的保护电路。另外,设计了开关型送丝系统。 在焊机的主电路和控制电路部分都进行了可靠性和抗干扰设计。系统软件采用汇编语言,以模块化方法设计。文中详细介绍了主程序、中断服务程序以及子程序的功能和结构。 DSP的开发所需要的仿真环境是开发DSP系统所必需的,文中详细介绍了DSP的开发环境CCS、开发工具XDS510的使用。 通过试验,对该电源的实现方案、组成部分进行了分析,得到了初步的试验结果,给出了在试验过程中记录的相关数据与波形;对试验过程中出现的问题进行研究分析,提出了解决方法。试验结果表明:该焊机主电路响应速度快,硬件电路简单可靠,系统软件高效、移植性好,抗干扰能力强,基本达到了最初设计的构想和要求。 最后,针对本焊机的后续研究工作提出了进一步完善的建议,为数字化焊机今后的深入研究奠定了良好的基础。
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